RU2658310C1 - Method for manufacturing resistive films by magnetron sputtering - Google Patents

Method for manufacturing resistive films by magnetron sputtering Download PDF

Info

Publication number
RU2658310C1
RU2658310C1 RU2017128201A RU2017128201A RU2658310C1 RU 2658310 C1 RU2658310 C1 RU 2658310C1 RU 2017128201 A RU2017128201 A RU 2017128201A RU 2017128201 A RU2017128201 A RU 2017128201A RU 2658310 C1 RU2658310 C1 RU 2658310C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetron sputtering
resistive
films
resistive film
stainless steel
Prior art date
Application number
RU2017128201A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Викторович Мороз
Елена Андреевна Рыжова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет"
Priority to RU2017128201A priority Critical patent/RU2658310C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2658310C1 publication Critical patent/RU2658310C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01CRESISTORS
    • H01C7/00Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in the manufacture of thin resistive films. Method of forming a resistive film is reactive magnetron sputtering. As the basis of the resistive film, it is proposed to use oxide of stainless steel elements.
EFFECT: use of oxide of stainless steel elements as a material for the resistive film providing greater reproducibility in comparison with analogues; as well as predicting the sheet resistance using a mathematical model of the process of the resistive film formation by the method of reactive magnetron sputtering.
1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при изготовлении тонкопленочных резисторов. Способ формирования резистивной пленки - реактивное магнетронное распыление. В качестве основы резистивной пленки предлагается использовать оксид элементов нержавеющей стали.The invention relates to radio engineering and can be used in the manufacture of thin-film resistors. A method of forming a resistive film is reactive magnetron sputtering. It is proposed to use oxide of stainless steel elements as the basis of the resistive film.

Известны способы формирования резистивных пленок методом термического напыления на диэлектрическую подложку различных материалов. Наиболее часто в качестве испаряемого материала применяются сплавы серии PC. Также разрабатываются сплавы на основании кремния, железа, хрома, вольфрам и т.д. (например, [1, 2]).Known methods for the formation of resistive films by thermal spraying on a dielectric substrate of various materials. Most often, PC series alloys are used as the evaporated material. Alloys based on silicon, iron, chromium, tungsten, etc. are also being developed. (for example, [1, 2]).

Технические условия для резистивных сплавов PC предназначены для формирования тонкопленочных резисторов методом термического испарения. Однако методы термического испарения повсеместно заменяются методами магнетронного распыления, как более технологичными и экономически выгодными [3]. При использовании сплавов серии PC также возникают некоторые сложности. Применение сплавов PC в методе магнетронного распыления приводит к трудоемкому процессу обеспечения стехиометрического состава формируемой пленки. Установлено, что большую роль в пленочных резисторах на основе PC сплавов и тугоплавких силицидов играет кислород, который интенсивно поглощается кремнием из остаточной атмосферы вакуумной камеры при насыщении. Захваченный пленкой кислород в виде Si выделяется по границам зерен, образуя тонкую диэлектрическую прослойку, что в сильной мере сказывается на удельном сопротивлении и ТКС пленки [4]. Вторая сложность использования PC-сплавов - неоднородность материала мишени по площади и объему и различные загрязняющие добавки.Specifications for PC resistive alloys are designed to form thin film resistors by thermal evaporation. However, the methods of thermal evaporation are everywhere replaced by the methods of magnetron sputtering, as more technologically advanced and economically viable [3]. When using PC series alloys, some difficulties also arise. The use of PC alloys in the method of magnetron sputtering leads to a laborious process of ensuring the stoichiometric composition of the formed film. It has been established that oxygen plays an important role in film resistors based on PC alloys and refractory silicides, which is intensively absorbed by silicon from the residual atmosphere of the vacuum chamber upon saturation. The oxygen captured by the film in the form of Si is released along the grain boundaries, forming a thin dielectric layer, which strongly affects the resistivity and the TCS of the film [4]. The second difficulty in using PC alloys is the heterogeneity of the target material in area and volume and various contaminants.

Прототипом предлагаемого способа формирования резистивных пленок является метод, описанный в [5], заключающийся в управлении поверхностным сопротивлением пленки CrO посредством варьирования концентрацией кислорода при формировании пленки реактивным магнетронным распылением. Недостатком предложенного способа формирования резистивных пленок можно считать, во-первых, невозможность прогнозирования получаемого удельного поверхностного сопротивления, а во-вторых, применимость полученных на основе пленок CrO резисторов при температурах ниже 100 К.The prototype of the proposed method for forming resistive films is the method described in [5], which consists in controlling the surface resistance of a CrO film by varying the oxygen concentration during film formation by reactive magnetron sputtering. The disadvantage of the proposed method for the formation of resistive films can be considered, firstly, the impossibility of predicting the resulting specific surface resistance, and secondly, the applicability obtained on the basis of films of CrO resistors at temperatures below 100 K.

Резистивные тонкие пленки предлагается формировать методом магнетронного реактивного распыления мишени из нержавеющей стали 12Х18Н10Т1. Нержавеющая сталь выбрана в качестве материала мишени по двум причинам:It is proposed that resistive thin films be formed by the method of magnetron reactive sputtering of a target made of 12Kh18N10T1 stainless steel. Stainless steel is selected as the target material for two reasons:

1) Химический состав нержавеющей стали схож с материалами, традиционно используемыми при термическом напылении резистивных пленок.1) The chemical composition of stainless steel is similar to the materials traditionally used in the thermal spraying of resistive films.

2) Отсутствие связывающих элементов в составе. Технический результат - формирование резистивной пленки с необходимым значением удельного сопротивления;2) The absence of binding elements in the composition. The technical result is the formation of a resistive film with the required value of specific resistance;

- использование оксида элементов нержавеющей стали в качестве материала для резистивной пленки, обеспечивающей большую по сравнению с аналогами воспроизводимость;- the use of oxide of stainless steel elements as a material for a resistive film that provides greater reproducibility in comparison with analogues;

- прогнозировать удельное поверхностное сопротивление при помощи математической модели процесса формирования резистивной пленки методом реактивного магнетронного распыления.- to predict the specific surface resistance using a mathematical model of the process of formation of a resistive film by reactive magnetron sputtering.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления тонких резистивных пленок методом реактивного магнетронного распыления согласно изобретению в качестве распыляемой мишени используется нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т1, а подбор значения удельного поверхностного сопротивления получаемой пленки осуществляется по формулеThe technical result is achieved by the fact that the method of manufacturing thin resistive films by the method of reactive magnetron sputtering according to the invention uses stainless steel grade 12X18H10T1 as the sprayed target, and the selection of the specific surface resistance of the resulting film is carried out according to the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где ρ - удельное поверхностное сопротивление, Ом/;where ρ is the specific surface resistance, Ohm /;

η - концентрация кислорода в смеси газов, в диапазоне от 2 до 7%,η is the oxygen concentration in the gas mixture, in the range from 2 to 7%,

t - время напыления, в диапазоне от 10 до 600 сек.t - spraying time, in the range from 10 to 600 seconds.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана зависимость удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки от концентрации кислорода в газовой смеси (точками обозначены экспериментально полученные результаты, сплошной линия рассчитана по математической модели);In FIG. Figure 1 shows the dependence of the specific surface resistance of the resistive film on the concentration of oxygen in the gas mixture (the dots indicate the experimentally obtained results, the solid line is calculated by the mathematical model);

на фиг. 2 - зависимость удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки от времени напыления (точками обозначены экспериментально полученные результаты, сплошная линия рассчитана по математической модели).in FIG. 2 - dependence of the specific surface resistance of the resistive film on the deposition time (dots indicate the experimentally obtained results, the solid line is calculated by the mathematical model).

Технический результат достигается за счет подбора материала, по химическому составу схожего с традиционными материалами, применяемыми для формирования резистивных пленок термическим испарением, но не содержащего в своем составе связующих элементов, уменьшающих воспроизводимость технологии, а также за счет того, что была рассчитана адекватная математическая модель в соответствии с рототабельным центральным композиционным планом (РКЦП) (табл. 1). Резистивные пленки были получены при температуре подложки 200°С, время напыления 45 секунд, ток магнетрона 0,9 А, после напыления пленки подвергались отжигу при температуре 400°С при атмосферном давлении. Согласно математической модели давление смеси газов в камере в диапазоне от 0,5 до 1,1 Па не влияет на удельное поверхностное сопротивление формируемой пленки.The technical result is achieved by selecting a material that is similar in chemical composition to traditional materials used to form resistive films by thermal evaporation, but does not contain binders that reduce the reproducibility of the technology, and also due to the fact that an adequate mathematical model was calculated in accordance with the rotatable central compositional plan (RCPC) (table. 1). Resistive films were obtained at a substrate temperature of 200 ° C, the deposition time was 45 seconds, the magnetron current was 0.9 A, and after the deposition, the films were annealed at a temperature of 400 ° C at atmospheric pressure. According to the mathematical model, the pressure of the gas mixture in the chamber in the range from 0.5 to 1.1 Pa does not affect the specific surface resistance of the formed film.

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Сравнение заявленного технического решения с другими техническими решениями в данной области техники показало, что данный способ изготовления резистивных пленок методом магнетронного распыления не известен. Кроме того, совокупность существенных признаков вместе с ограничительными позволяет обнаружить у заявляемого решения иные, в отличие от известных свойства, к числу которых можно отнести следующие:Comparison of the claimed technical solution with other technical solutions in the art showed that this method of manufacturing resistive films by magnetron sputtering is not known. In addition, the combination of essential features, together with restrictive ones, makes it possible to detect other properties of the claimed solution, in contrast to the known properties, which may include the following:

1. предложен новый материал для изготовления резистивных пленок;1. proposed a new material for the manufacture of resistive films;

2. предложена математическая модель, описывающая процесс формирования резистивной пленки на основе оксида элементов нержавеющей стали методом магнетронного реактивного распыления.2. A mathematical model is proposed that describes the process of forming a resistive film based on oxide of stainless steel elements by magnetron reactive sputtering.

Таким образом, иные в отличие от известных свойства, присущие предложенному техническому решению, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.Thus, other, in contrast to the known properties, inherent in the proposed technical solution, prove the presence of significant differences aimed at achieving a technical result.

Промышленная применимость предложенного технического решения продемонстрирована изложенным ниже примером.The industrial applicability of the proposed technical solution is demonstrated by the example below.

На фиг. 1 приведены экспериментальные значения удельного поверхностного сопротивления, полученные при формировании резистивных пленок по описанному способу при разных значениях концентрации кислорода в смеси рабочего газа. Остальные технологические параметры были зафиксированы на следующих значениях: температура подложки 200°С, время напыления 45 секунд, ток магнетрона 0,9 А, после напыления пленки подвергались отжигу при температуре 400°С при атмосферном давлении.In FIG. 1 shows the experimental values of the specific surface resistance obtained during the formation of resistive films according to the described method for different values of the oxygen concentration in the working gas mixture. Other technological parameters were fixed at the following values: substrate temperature 200 ° C, spraying time 45 seconds, magnetron current 0.9 A, after spraying the films were annealed at a temperature of 400 ° C at atmospheric pressure.

На фиг. 2 приведены экспериментальные значения удельного поверхностного сопротивления, полученные при формировании резистивных пленок по описанному способу при разных значениях времени напыления.In FIG. 2 shows the experimental values of the specific surface resistance obtained during the formation of resistive films by the described method for different values of the deposition time.

Остальные технологические параметры были зафиксированы на следующих значениях: концентрация кислорода в смеси 5%, температура подложки 200°С, ток магнетрона 0,9 А, после напыления пленки подвергались отжигу при температуре 400°С при атмосферном давлении.Other technological parameters were fixed at the following values: oxygen concentration in the mixture 5%, substrate temperature 200 ° C, magnetron current 0.9 A, after spraying the films were annealed at a temperature of 400 ° C at atmospheric pressure.

Отличие измеренного и расчетного по модели удельного поверхностного сопротивления не превышает 5%. ТКС пленок изменяется от положительного до отрицательного в зависимости от соотношения кислорода и азота в рабочей газовой смеси при напылении и составляет значения порядка 10-4 Ом/К.The difference between the measured and calculated surface resistivity models does not exceed 5%. TKS of the films varies from positive to negative depending on the ratio of oxygen and nitrogen in the working gas mixture during sputtering and is of the order of 10 -4 Ohm / K.

Таким образом, анализ полученных результатов показал, что использование указанного способа позволяет формировать тонкопленочные резисторы с достаточной точностью методом магнетронного распыления за счет варьирования двух параметров.Thus, the analysis of the results showed that the use of this method allows the formation of thin-film resistors with sufficient accuracy by magnetron sputtering by varying two parameters.

Источники информацииInformation sources

1. Патент №2369934 от 02.09.2008.1. Patent No. 2369934 dated 02.09.2008.

2. Патент №1281058 от 06.08.1984.2. Patent No. 1281058 of 08/06/1984.

3. Берлин Е.В. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок. / Е.В. Берлин, С.А. Двинин, Л.А. Сейдман. - М.: Техносфера, 2007. - 176 с.3. Berlin EV Vacuum technology and equipment for applying and etching thin films. / E.V. Berlin, S.A. Dvinin, L.A. Seidman. - M .: Technosphere, 2007 .-- 176 p.

4. Katnani A.D. Effects of oxidation on the electrical resistance of cermet thin films A.D. Katnani, L.J. Matienzo, F. Emmi // Journal of materials science letters - 1989. No. 8 - P. 1177-1178.4. Katnani A.D. Effects of oxidation on the electrical resistance of cermet thin films A.D. Katnani, L.J. Matienzo, F. Emmi // Journal of materials science letters - 1989. 8 - P. 1177-1178.

5. Nash C.R. Compact chromium oxide thin _lm resistors for use in nanoscale quantum circuits / C.R. Nash, J.C. Fenton, N.G.N. Constantino, P.A. Warburton // Journal of Applied Physics Vol. 116 No. 22 - 2014. [Электронный ресурс] http://dx.doi.org/10.1063/1.4901933.5. Nash C.R. Compact chromium oxide thin _lm resistors for use in nanoscale quantum circuits / C.R. Nash, J.C. Fenton, N.G.N. Constantino, P.A. Warburton // Journal of Applied Physics Vol. 116 No. 22 - 2014. [Electronic resource] http://dx.doi.org/10.1063/1.4901933.

Claims (5)

Способ изготовления тонких резистивных пленок методом реактивного магнетронного распыления, отличающийся тем, что в качестве распыляемой мишени используется нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т1, а подбор значения удельного поверхностного сопротивления получаемой пленки осуществляется по формулеA method of manufacturing thin resistive films by the method of reactive magnetron sputtering, characterized in that stainless steel of grade 12X18H10T1 is used as the sprayed target, and the selection of the specific surface resistance of the resulting film is carried out according to the formula
Figure 00000004
Figure 00000004
где ρ - удельное поверхностное сопротивление, Ом/;where ρ is the specific surface resistance, Ohm /; η - концентрация кислорода в смеси газов, в диапазоне от 2 до 7%,η is the oxygen concentration in the gas mixture, in the range from 2 to 7%, t - время напыления, в диапазоне от 10 до 600 сек.t - spraying time, in the range from 10 to 600 seconds.
RU2017128201A 2017-08-07 2017-08-07 Method for manufacturing resistive films by magnetron sputtering RU2658310C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128201A RU2658310C1 (en) 2017-08-07 2017-08-07 Method for manufacturing resistive films by magnetron sputtering

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128201A RU2658310C1 (en) 2017-08-07 2017-08-07 Method for manufacturing resistive films by magnetron sputtering

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2658310C1 true RU2658310C1 (en) 2018-06-20

Family

ID=62620201

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017128201A RU2658310C1 (en) 2017-08-07 2017-08-07 Method for manufacturing resistive films by magnetron sputtering

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2658310C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2006082C1 (en) * 1990-03-06 1994-01-15 Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете Method of forming resistance layer on ceramic substrate
SU1819070A1 (en) * 1990-02-26 1996-10-27 Научно-производственное объединение "Интеграл" Method for producing bipolar integrated circuits with polysilocon resistor
US5620651A (en) * 1994-12-29 1997-04-15 Philip Morris Incorporated Iron aluminide useful as electrical resistance heating elements
DE19727911A1 (en) * 1997-07-01 1999-01-07 Daimler Benz Ag Surface machining especially of silicon carbide surface
RU2369934C1 (en) * 2008-09-02 2009-10-10 Оао "Нпо Эркон" Resistive material for manufacturing of thin-film resistors
RU2382440C1 (en) * 2008-11-01 2010-02-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" METHOD OF MAKING MULTILAYER SUPERCONDUCTING yBaCuO NANOFILMS ON SUBSTRATE
SU1281058A1 (en) * 1984-08-06 2013-09-27 Физико-технический институт АН БССР ALLOY FOR RESISTANT FILMS AND METHOD FOR ITS PREPARATION

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1281058A1 (en) * 1984-08-06 2013-09-27 Физико-технический институт АН БССР ALLOY FOR RESISTANT FILMS AND METHOD FOR ITS PREPARATION
SU1819070A1 (en) * 1990-02-26 1996-10-27 Научно-производственное объединение "Интеграл" Method for producing bipolar integrated circuits with polysilocon resistor
RU2006082C1 (en) * 1990-03-06 1994-01-15 Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете Method of forming resistance layer on ceramic substrate
US5620651A (en) * 1994-12-29 1997-04-15 Philip Morris Incorporated Iron aluminide useful as electrical resistance heating elements
DE19727911A1 (en) * 1997-07-01 1999-01-07 Daimler Benz Ag Surface machining especially of silicon carbide surface
RU2369934C1 (en) * 2008-09-02 2009-10-10 Оао "Нпо Эркон" Resistive material for manufacturing of thin-film resistors
RU2382440C1 (en) * 2008-11-01 2010-02-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" METHOD OF MAKING MULTILAYER SUPERCONDUCTING yBaCuO NANOFILMS ON SUBSTRATE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Oswald et al. XPS depth profile analysis of non‐stoichiometric NiO films
Chuang et al. TCR control of Ni–Cr resistive film deposited by DC magnetron sputtering
CN105144309B (en) Thermistor metal nitride materials and its manufacture method and film-type thermistor (temperature) sensor
RU2658310C1 (en) Method for manufacturing resistive films by magnetron sputtering
Sinha et al. Effect of deposition process parameters on resistivity of metal and alloy films deposited using anodic vacuum arc technique
Capote Mastrapa et al. Plasma‐Treated CVD Graphene Gas Sensor Performance in Environmental Condition: The Role of Defects on Sensitivity
TWI525196B (en) Alloy thin film resistor
RU2659903C1 (en) Method for forming the sensor structure of gaseous toxic substances based on graphene films
US3504325A (en) Beta-tungsten resistor films and method of forming
Hofmann et al. Correlation between electrical properties and AES concentration-depth profiles of NiCr thin films
TW201515027A (en) Metal nitride material for thermistor, manufacturing method for same, and film-type thermistor sensor
JP6684488B2 (en) Method for manufacturing conductive DLC film
Anischik et al. SIMS investigation of nitride coatings
Lood Electrical Properties of Cr‐SiO Cermet Films
Caricato et al. Laser deposition of semiconductor thin films based on iron oxides
JP3923900B2 (en) Tungsten thin film coating method using tungsten oxide powder
Hossein-Babaei et al. Contact resistances between ZnO and Ti, Al, Zn, and Bi: correlation with the density of states at Fermi energies
Pitt Evaporated cermet resistors
Pattabi et al. Electrical behaviour of discontinuous silver films deposited on softened polyvinylpyridine substrates
Jevtić et al. Noise and structural properties of reactively sputtered RuO2 thin films
Mishra et al. Metal-oxide thin film with Pt, Au and Ag nano-particles for gas sensing applications
Mashimo et al. Electrical Contact Resistance Presumption about Tin-Coated Copper-Alloy Contacts Using RF Sputtered SnOx Thin Films
Nowicki et al. Comparison of the Properties of Molybdenum Silicide Films Deposited by D‐C Magnetron and RF Diode Co‐Deposition
JP6216222B2 (en) Oxide film forming method, bolometer element manufacturing method
Mireles et al. Near zero temperature coefficient of resistance in Ti: Si: O thin films deposited by magnetron co-sputtering

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190808